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时间:2018-12-04
《MEMS惯性测量单元(IMU)-陀螺仪对准基础.doc》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、MEMS惯性测量单元(IMU)/陀螺仪对准基础 对于在反馈环路中采用MEMS惯性测量单元(IMU)的高性能运动控制系统,传感器对准误差常常是其关键考虑之一。对于IMU中的陀螺仪,传感器对准误差描述各陀螺仪的旋转轴与系统定义的“惯性参考系”(也称为“全局坐标系”)之间的角度差。为了管控对准误差对传感器精度的影响,可能需要独特的封装、特殊的组装工艺,甚至在最终配置中进行复杂的惯性测试。 所有这些事情都可能会对项目管理的重要指标:如计划、投资和各系统中IMU相关的总成本等,产生重大影响。因此,在设计周期的早期,当还有时间界定系统架构以实现最有效解决方案的时候,对传感器对准误差加
2、以考虑是十分有必要的。毕竟,没有人希望在烧掉项目80%的计划时间和预算之后才发现,为了满足最终用户不容商量的交货要求,其并不昂贵的传感器需要增加数百甚至数千美元的意外成本,那样可就糟糕至极了! 设计系统的IMU功能架构时,有三个基本对准概念需要了解和评估:误差估计、对准误差对系统关键行为的影响以及电子对准(安装后)。初始误差估计应当包括IMU以及在运行过程中将其固定就位的机械系统这两方面的误差贡献。了解这些误差对系统关键功能的影响有助于确立相关性能目标,防止过度处理问题,同时管控无法兑现关键性能和成本承诺的风险。最后,为了优化系统的性能或以成本换空间,可能需要某种形式的电子
3、对准。 预测安装后的对准误差 一个应用的对准精度取决于两个关键因素:IMU的对准误差和在运行过程中将其固定就位的机械系统的精度。IMU的贡献(ΨIMU)和系统的贡献(ΨSYS)通常并不相关,估计总对准误差时,常常是利用和方根计算将这两个误差源加以合并: 某些IMU规格表通过“轴到封装对准误差”或”轴到坐标系对准误差”等参数来量化对准误差。图1以夸张方式显示了ADIS16485中各陀螺仪相对于其封装边缘的对准误差。图中的绿色虚线代表封装定义的参考系的各轴。实线代表封装内部陀螺仪的旋转轴,ΨIMU代表三个对准误差项的最大值(ΨX、ΨY、ΨZ)。 图1:ADI164
4、85轴到坐标系的对准误差。 为了预测系统对准误差的贡献(公式1中的ΨSYS),需要分析机械缺陷导致IMU在系统中的停靠位置相对于全局坐标系偏斜的可能性。使用焊接到印刷电路板的IMU时,这将涉及到以下考量因素:原始放置精度、焊料沉积的差异、回流焊期间的浮动、PCB关键特性(如安装孔等)的容差以及系统框架本身的容差等。使用模块式IMU时,它可以与系统外壳实现更直接的耦合,如图2所示。此类接口有两个关键机械特性可帮助管控安装偏斜误差:安装架(4&TImes;)和安装巢。 图2:内嵌式底板设计概念。 在此类安装方案中,四个安装架的高度差异就是机械差异的一个例子,可能引起x轴
5、和y轴的安装偏斜。图3以夸张方式说明了这种偏差(H1与H2)对x轴安装偏斜(ΨX)的影响。 图3:安装架差异引起的对准误差。 MounTIngLedges:安装架 公式2反映了x轴偏斜角度(ΨX)与高度差(H2到H1)和两个接触点间跨度(W到W1)的关系: 安装架高度差异对y轴的安装偏斜也有类似的影响。此时,用封装长度(L)替换公式2中的宽度(W),便可得到如下用于估计y轴偏斜角度(ΨY)的关系式。 图4提供了另一个例子来说明机械特性如何影响z轴的安装偏斜。本例中,机械螺丝先穿过IMU主体的安装孔(位于四角),再穿过安装架的孔,最后进入安装架背部的锁紧螺
6、母。这种情况下,机械螺丝的直径(DM)与底板中相关通孔的直径(DH)之间的差异会引起z轴偏斜。 图4:安装螺丝/孔对z轴偏斜角度的影响。 公式4反映了z轴安装偏斜(ΨZ)与直径差和旋转半径(RS,等于相对两角的两个安装螺丝间距离的一半)的关系。 示例1 使用2mm机械螺丝将ADIS16485安装到6mm&TImes;6mm安装架上,安装架的孔直径为2.85mm,高度容差为0.2mm,估算与此相关的总对准误差。 求解 使用44mm的标称宽度(W),x轴偏斜角度(见图3)预测值为0.3度。 封装各边上安装孔间的标称距离分别为39.6mm和42.6
7、mm。这些尺寸构成直角三角形的两边,其斜边等于封装相对两角的两个孔之间的距离。旋转半径 (RS,见图4)等于此距离的一半(29.1mm),因此z轴偏斜的预测值为0.83度。 对于式1中的复合预测公式,ΨSYS等于ΨZ(估算最大值),ΨIMU等于1度(依据IMU数据手册中的轴到坐标系对准误差规格)。因此,总对准误差估算值为1.28度。 对准误差对系统精度的影响 为应用制定精度标准时,了解对准误差与其对陀螺仪精度影响之间的基本关系是一个很好的着手点。为了说明该过程,图5提供了三轴陀螺仪系统的
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